DE102020212402A1 - Device and method for cooling a heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zum Kühlen eines Wärmetauschers (12) einer Brennstoffzelle (16) eines Flugantriebs außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs. Der Flugantrieb weist eine Luftlinie (20) mit wenigstens einem Kompressor (21, 22, 23) zum Zuführen komprimierter Luft für einen Betrieb der Brennstoffzelle (16) auf. Ein Strömungsverstärker (40) ist in einem im Bereich des Wärmetauschers (12) angeordnet, der zum Leiten von Luft auf eine Kühlfläche (13) des Wärmetauschers (12) eingerichtet ist, wodurch Wärmeenergie von der Kühlfläche (13) des Wärmetauschers (12) abgeleitet wird.The invention relates to a device (10) and a method for cooling a heat exchanger (12) of a fuel cell (16) of an aircraft engine outside of a flight phase of an aircraft. The flight engine has an air line (20) with at least one compressor (21, 22, 23) for supplying compressed air for operating the fuel cell (16). A flow amplifier (40) is arranged in a region of the heat exchanger (12) which is adapted to direct air onto a cooling surface (13) of the heat exchanger (12), thereby dissipating heat energy from the cooling surface (13) of the heat exchanger (12). will.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen eines Wärmetauschers einer Brennstoffzelle eines Flugantriebs außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs, wobei der Flugantrieb eine Luftlinie mit wenigstens einem Kompressor zum Zuführen komprimierter Luft zum Betrieb der Brennstoffzelle aufweist.The invention relates to a device and a method for cooling a heat exchanger of a fuel cell of an aircraft engine outside of a flight phase of an aircraft, the aircraft engine having an air line with at least one compressor for supplying compressed air to operate the fuel cell.
Bei Flugantrieben mit Brennstoffzellen werden große Wärmemengen erzeugt, welche über Wärmetauscher abgeführt werden müssen, um ein Überhitzen der Brennstoffzellen zu verhindern. Entsprechend werden Wärmetauscher von solchen Flugantrieben gewöhnlich so angeordnet, dass Propeller-Abwind (downwash air) und/ oder Staudruckluft (ram air) zur Kühlung des wenigstens einen Wärmetauschers verwendet werden können. Am Boden, außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs steht hieraus keine Kühlluft bzw. keine ausreichende Menge an Kühlluft zur Verfügung. Während des Betriebs der Brennstoffzellen außerhalb einer Flugphase des Flugzeugs ist daher eine alternative Kühlung der Wärmetauscher erforderlich, um ausreichend Wärme von den Brennstoffzellen abzuführen. Am Flugzeug angeordnete zusätzliche Lüfter (Fans) zum Erzeugen eines Kühlluftstroms am Boden sind während der Flugphase überflüssig und wirken sich aerodynamisch eher nachteilig aus.In flight engines with fuel cells, large amounts of heat are generated which have to be dissipated via heat exchangers in order to prevent the fuel cells from overheating. Correspondingly, heat exchangers of such aircraft drives are usually arranged in such a way that propeller downwash (downwash air) and/or ram air can be used to cool the at least one heat exchanger. On the ground, outside of a flight phase of an aircraft, no cooling air or an insufficient amount of cooling air is available from this. During operation of the fuel cells outside of a flight phase of the aircraft, alternative cooling of the heat exchangers is therefore necessary in order to dissipate sufficient heat from the fuel cells. Additional fans (fans) arranged on the aircraft to generate a flow of cooling air on the ground are superfluous during the flight phase and have an aerodynamically disadvantageous effect.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen eines Wärmetauschers einer Brennstoffzelle eines Flugantriebs außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs vorzuschlagen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Proceeding from this, it is an object of the present invention to propose an improved device and a method for cooling a heat exchanger of a fuel cell of an aircraft engine outside of a flight phase of an aircraft. According to the invention, this is achieved by the teaching of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe wird in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Kühlen eines Wärmetauschers einer Brennstoffzelle eines Flugantriebs außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs vorgeschlagen, wobei der Flugantrieb eine Luftlinie mit wenigstens einem Kompressor zum Zuführen komprimierter Luft für einen Betrieb der Brennstoffzelle aufweist. Die Vorrichtung weist dabei einen im Bereich des Wärmetauschers angeordneten Strömungsverstärker auf, der zum Leiten von Luft auf eine Kühlfläche des Wärmetauschers eingerichtet ist und eine nach dem wenigstens einen Kompressor angeordnete Verzweigung in der Luftlinie, über welche komprimierte Luft zum Strömungsverstärker leitbar ist.To solve the problem, a device for cooling a heat exchanger of a fuel cell of an aircraft engine is proposed in a first aspect when an aircraft is not in flight, the aircraft engine having an air line with at least one compressor for supplying compressed air for operating the fuel cell. The device has a flow amplifier arranged in the area of the heat exchanger, which is designed to direct air onto a cooling surface of the heat exchanger, and a branch in the air line arranged after the at least one compressor, via which compressed air can be routed to the flow amplifier.
Ähnlich wie konventionelle, mit Kerosin betriebene Strömungsmaschinen benötigt auch eine Brennstoffzelle eines Flugantriebs verdichtete Luft, um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt um. Die Zufuhr von beim Flugantrieb üblicherweise als Oxidationsmittel dienender Umgebungsluft zur Brennstoffzelle erfolgt über eine Luftlinie, welche neben den erforderlichen Leitungen, Anschlüssen und Ventilen auch wenigstens einen Kompressor zum Komprimieren von aus der Umgebung angesaugter Luft aufweist. Zum Komprimieren der Luft können ein oder mehrere in Serie und/ oder parallel angeordnete Kompressoren bzw. Kompressorstufen vorgesehen sein. Da die Reaktion von Brennstoff und Oxidationsmittel sowohl Wärme als auch elektrischen Strom erzeugt, muss ein Brennstoffzellenstapel auch nach Erreichen einer Betriebstemperatur gekühlt werden, um eine Beschädigung der Brennstoffzellen zu vermeiden.Similar to conventional turbomachines powered by kerosene, a fuel cell in an aircraft engine also requires compressed air in order to achieve high power density. Electrochemical fuel cells convert fuel and oxidant into electrical energy and a reaction product. Ambient air, which is usually used as an oxidizing agent in aircraft propulsion, is supplied to the fuel cell via an air line which, in addition to the necessary lines, connections and valves, also has at least one compressor for compressing air sucked in from the environment. One or more compressors or compressor stages arranged in series and/or in parallel can be provided for compressing the air. Because the reaction of fuel and oxidant produces both heat and electricity, even after a fuel cell stack has reached an operating temperature, it must be cooled to avoid damaging the fuel cells.
Eine solche Kühlung erfolgt üblicherweise mithilfe von wenigstens einem mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennstoffzellen verbundenen Wärmetauscher, welcher während der Flugphasen von einer Fan- und/ oder Staudruckluftströmung überströmt wird. Dabei nimmt ein insbesondere eine Kühlfläche des Wärmetauschers überströmender Luftstrom Wärme auf und führt sie insbesondere konvektiv vom Wärmetauscher ab. Obwohl in den Ansprüchen und der Beschreibung „der Wärmetauscher“ angegeben ist, kann der Wärmetauscher im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch mehrere räumlich nebeneinander und/ oder verteilt angeordnete Wärmetauschereinrichtungen aufweisen, welche insbesondere auch (jeweils) mehrere Kühlflächen aufweisen können. Als Kühlfläche wird in diesem Zusammenhang jede am Wärmetauscher angeordnete (Ober-)Fläche bezeichnet, welche sich durch die abzuführende Wärmeenergie erwärmt und von welcher mit einem diese überstreichenden Luftstrom Wärme abgeführt werden kann. Da die Brennstoffzellen des Flugantriebs wenigstens zum Teil auch außerhalb der Flugphase betrieben werden, wie beispielsweise zum Bereitstellen von Antriebsenergie für das Rollen auf dem Rollfeld oder zur Stromversorgung des Flugzeugs am Boden, steht in diesen Phasen keine ausreichende Fan- oder Staudruckluftströmung zum Abführen von Wärmeenergie vom Wärmetauscher der Brennstoffzellen zur Verfügung.Such cooling usually takes place with the aid of at least one heat exchanger connected to a coolant circuit of the fuel cells, over which a fan and/or ram-air flow flows during the flight phases. In this case, an air flow flowing over a cooling surface of the heat exchanger, in particular, absorbs heat and dissipates it, in particular convectively, from the heat exchanger. Although “the heat exchanger” is specified in the claims and the description, within the scope of the invention the heat exchanger can of course also have several heat exchanger devices arranged spatially next to one another and/or distributed, which in particular can also (each) have several cooling surfaces. In this context, a cooling surface is any (surface) surface arranged on the heat exchanger which is heated by the thermal energy to be dissipated and from which heat can be dissipated with an air flow sweeping over it. Since the fuel cells of the flight propulsion system are at least partly operated outside of the flight phase, for example to provide propulsion energy for taxiing on the runway or to supply power to the aircraft on the ground, there is insufficient fan or ram pressure air flow to dissipate heat energy from the aircraft during these phases Heat exchangers of the fuel cells available.
Zum Leiten der Luft auf eine Kühlfläche des Wärmetauschers weist die vorgeschlagene Vorrichtung einen im Bereich des Wärmetauschers angeordneten Strömungsverstärker auf. Außerhalb der Flugphasen werden die Brennstoffzellen üblicherweise nur mit verringerter Leistung betrieben, weshalb auch nur eine verringerte Luftzufuhr zu den Brennstoffzellen erforderlich ist. Entsprechend steht dann freie Kompressorleistung zur Verfügung, welche zum Kühlen des Wärmetauschers der Brennstoffzellen verwendbar ist. Hierfür weist die vorgeschlagene Vorrichtung in der Luftlinie der Brennstoffzelle eine nach dem wenigstens einen Kompressor angeordnete Verzweigung auf, über welche komprimierte Luft aus der Luftlinie abzweigbar und zum Strömungsverstärker leitbar ist. Die Verzweigung kann dabei abhängig vom Aufbau und der Leistungsfähigkeit des Kompressors nach einem ersten oder weiteren Kompressor angeordnet sein, insbesondere auch abhängig von der regelungstechnischen Integration der Verzweigungsschaltung beim Übergang in oder aus einer Flugphase. Beispielsweise kann über die Verzweigung nur ein Teil der an der Verzweigung verfügbaren komprimierten Luft entnommen werden oder die in einem Teilzweig des Kompressors verfügbare Luft zum Strömungsverstärker geleitet werden.In order to direct the air to a cooling surface of the heat exchanger, the proposed device has a flow amplifier arranged in the area of the heat exchanger. Outside of the flight phases, the fuel cells are usually only operated at reduced power, which is why only a reduced air supply to the fuel cells is required. Accordingly, there is then free compressor power available, which is used to cool the heat exchanger of the burner fabric cells can be used. For this purpose, the proposed device in the air line of the fuel cell has a branching arranged after the at least one compressor, via which compressed air can be branched off from the air line and routed to the flow booster. Depending on the structure and the performance of the compressor, the branching can be arranged after a first or further compressor, in particular also depending on the control-technical integration of the branching circuit during the transition into or out of a flight phase. For example, only part of the compressed air available at the branch can be removed via the branch, or the air available in a partial branch of the compressor can be routed to the flow amplifier.
Die über die Verzweigung abgeleitete komprimierte Luft wird von dort zu einem im Bereich des Wärmetauschers angeordneten Strömungsverstärker geführt, welcher zum Leiten der Luft auf eine Kühlfläche des Wärmetauschers eingerichtet ist. Der Strömungsverstärker ist im Bereich des Wärmetauschers angeordnet und damit in einer geeigneten Position zum Leiten des verstärkten Luftstroms auf wenigstens eine Kühlfläche des Wärmetauschers. Insbesondere weist der Strömungsverstärker eine Luftauslassöffnung mit geeigneten Auslassgeometrien und/ oder Luftleiteinrichtungen auf, um eine insbesondere hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung vorteilhafte Luftströmung für einen effizienten Abtrag von Wärmeenergie vom Wärmetauscher auszubilden. Insbesondere weist die durch den Strömungsverstärker geführte komprimierte Luft eine nach dem Austreten aus dem Strömungsverstärker höhere Strömungsgeschwindigkeit auf, als vor dem Strömungsverstärker. Ein solcher Strömungsverstärker kann angepasst auf den spezifischen Einsatzort verschiedene Geometrien und Strömungsquerschnitte aufweisen. Entsprechend kann der Strömungsverstärker an den zur Verfügung stehenden Raum angepasst sein, weshalb solche Strömungsverstärker beispielsweise auch in engen Räumen angeordnet werden können und dennoch eine gute Luftstromführung erreichen. Insbesondere ist ein Strömungsverstärker so ausgebildet und angeordnet, dass dieser sich während der Flugphase nicht aerodynamisch nachteilig auswirkt.The compressed air discharged via the branch is guided from there to a flow amplifier which is arranged in the area of the heat exchanger and is designed to guide the air onto a cooling surface of the heat exchanger. The flow amplifier is arranged in the area of the heat exchanger and is therefore in a suitable position for directing the increased air flow onto at least one cooling surface of the heat exchanger. In particular, the flow intensifier has an air outlet opening with suitable outlet geometries and/or air guiding devices in order to form an air flow that is advantageous in particular with regard to the flow speed and direction for efficient removal of thermal energy from the heat exchanger. In particular, the compressed air guided through the flow booster has a higher flow speed after exiting the flow booster than before the flow booster. Such a flow intensifier can have different geometries and flow cross-sections adapted to the specific place of use. Accordingly, the flow amplifier can be adapted to the space available, which is why such flow amplifiers can also be arranged in narrow spaces and still achieve good air flow guidance. In particular, a flow amplifier is designed and arranged in such a way that it does not have an aerodynamically disadvantageous effect during the flight phase.
Im Ergebnis ermöglicht die vorgeschlagene Vorrichtung das Abtragen von Wärmeenergie von einem Wärmetauscher einer Brennstoffzelle eines Flugantriebs außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs ohne zusätzliche aufwändige Einrichtungen zum Erzeugen eines Luftstroms, welche während der Flugphase überflüssig sind bzw. sich aerodynamisch nachteilig auswirken. Zum Abtragen der Wärmeenergie vom Wärmetauscher außerhalb der Flugphase wird eine vorhandene, am Boden nicht erforderliche Kompressorkapazität zum Komprimieren der Luft eingesetzt, welche zum Abtragen der überschüssigen Wärmeenergie genutzt werden kann. Auf diese Weise sind nur wenige zusätzliche Einrichtungen für die Kühlung des Wärmetauschers der Brennstoffzellen außerhalb der Flugphasen erforderlich.As a result, the proposed device enables heat energy to be removed from a heat exchanger of a fuel cell of an aircraft engine outside of an aircraft flight phase without additional complex devices for generating an air flow, which are superfluous during the flight phase or have an aerodynamically disadvantageous effect. To remove the heat energy from the heat exchanger outside the flight phase, an existing compressor capacity that is not required on the ground is used to compress the air, which can be used to remove the excess heat energy. In this way, only a few additional devices are required for cooling the heat exchanger of the fuel cells outside of the flight phases.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung arbeitet der Strömungsverstärker nach dem Venturi- und/ oder dem Coanda-Prinzip, um die Luft auf die Kühlfläche des Wärmetauschers zu leiten. Zusätzlich kann die Vorrichtung dabei neben der komprimierten Luft auch Umgebungsluft auf die Kühlfläche des Wärmetauschers leiten. Beispielsweise kann der Strömungsverstärker dabei so ausgebildet sein, dass dieser den Effekt einer (Venturi-) Strahlpumpe nutzt. Der vom Kompressor zugeführte Luftstrom bildet dabei das Treibmedium, so dass im Bereich des Strömungsverstärkers zusätzliche Umgebungsluft angesaugt und beschleunigt werden kann, bevor der hierbei gebildete verstärkte Luftstrom zur Kühlfläche des Wärmetauschers strömt. Alternativ oder in Kombination mit diesem Aufbau kann der Strömungsverstärker beispielsweise eine das Coanda-Prinzip nutzende Auslassöffnung aufweisen, bei welcher der Luftstrom über die Oberfläche einer sich in geeigneter Weise erweiternden Wandung geführt wird, an welcher sich der Luftstrom anschmiegt. Dabei ergibt sich im Zentrum der Auslassöffnung ein Druckabfall, durch welchen zusätzlich Umgebungsluft angesaugt und beschleunigt werden kann, bevor der dabei gebildete verstärkte Luftstrom zur Kühlfläche des Wärmetauschers strömt. Durch die Verwendung des Venturi- und/ oder des Coanda-Prinzips kann die vom Wärmetauscher abtragbare Wärmemenge erhöht werden.In one embodiment of the device, the flow amplifier works according to the Venturi and/or the Coanda principle in order to direct the air onto the cooling surface of the heat exchanger. In addition, in addition to the compressed air, the device can also direct ambient air onto the cooling surface of the heat exchanger. For example, the flow amplifier can be designed in such a way that it uses the effect of a (Venturi) jet pump. The air flow supplied by the compressor forms the driving medium, so that additional ambient air can be sucked in and accelerated in the area of the flow booster before the increased air flow formed flows to the cooling surface of the heat exchanger. Alternatively or in combination with this structure, the flow amplifier can have, for example, an outlet opening using the Coanda principle, in which the air flow is guided over the surface of a suitably widening wall, against which the air flow nestles. This results in a pressure drop in the center of the outlet opening, through which additional ambient air can be sucked in and accelerated before the increased air flow formed flows to the cooling surface of the heat exchanger. The amount of heat that can be removed by the heat exchanger can be increased by using the Venturi and/or the Coanda principle.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist vor dem Strömungsverstärker ein Stromregelventil angeordnet, mit welchem der dem Strömungsverstärker zugeführte Luftstrom regelbar ist. Mithilfe eines Stromregelventils kann der Durchfluss eines Strömungsverstärkers auf einfache Weise geregelt werden, um diesen insbesondere an den Kühlluftbedarf des Wärmetauschers anzupassen. Beispielsweise kann ein Stromregelventil in der Verzweigung der Luftlinie angeordnet sein.In one embodiment of the device, a flow control valve is arranged in front of the flow booster, with which the air flow supplied to the flow booster can be regulated. With the help of a flow control valve, the flow rate of a flow booster can be regulated in a simple manner in order to adapt it to the cooling air requirement of the heat exchanger in particular. For example, a flow control valve can be arranged in the branching of the air line.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Strömungsverstärker wenigstens teilweise ringförmig ausgebildet. Bei einer solchen Ausführung kann der Luftstrom beispielsweise durch einen Ringkanal geführt werden, welcher an seiner radialen Innenseite eine im Wesentlichen parallel zur Richtung der Drehachse gerichtete Auslassöffnung aufweist. Im Zentrum des hierdurch ausgebildeten axial verlaufenden Luftstroms entsteht bei dieser Ausführung ein Unterdruck, durch den Umgebungsluft angesaugt wird, welcher die in Richtung des Wärmetauschers ausgebildete Luftströmung verstärkt. Mit einer solchen Ausführung ist ein gerichteter Luftstrom mit wenigstens teilweise kreisförmigen Querschnitt ausbildbar.In one embodiment of the device, the flow intensifier is at least partially ring-shaped. In such an embodiment, the air flow can be guided, for example, through an annular duct, which has an outlet opening on its radial inner side that is oriented essentially parallel to the direction of the axis of rotation. In this embodiment, in the center of the axial air flow formed as a result, a negative pressure is created, through which ambient air is sucked in, which intensifies the air flow formed in the direction of the heat exchanger. A directed air flow with an at least partially circular cross section can be formed with such an embodiment.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Wärmetauscher in der Antriebsgondel angeordnet. Damit ist dieser insbesondere in räumlicher Nähe zu den in der Antriebsgondel (Nacelle) angeordneten Brennstoffzellen und deren Kühlmittelversorgung positioniert. Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung kann der Strömungsverstärker beispielsweise im Einlauf der Antriebsgondel angeordnet sein, so dass ein vom Strömungsverstärker ausströmender Luftstrom die Antriebsgondel axial durchströmt. Dabei kann der Luftstrom beim Durchströmen der Antriebsgondel die für die Kühlluftführung während der Flugphase vorgesehenen Strömungswege nutzen, um zu der wenigstens einen Kühlfläche des Wärmetauschers zu gelangen und um die dort aufgenommene Wärme aus der Antriebsgondel zu transportieren.In one embodiment of the device, the heat exchanger is arranged in the drive nacelle. This means that it is positioned in close proximity to the fuel cells in the drive pod (nacelle) and their coolant supply. In this embodiment of the device, the flow booster can be arranged, for example, in the inlet of the drive nacelle, so that an air stream flowing out of the flow booster flows through the drive pod axially. When flowing through the propulsion nacelle, the air flow can use the flow paths provided for the cooling air flow during the flight phase in order to reach the at least one cooling surface of the heat exchanger and to transport the heat absorbed there out of the propulsion nacelle.
Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Kompressor mehrstufig aufgebaut und die Verzweigung ist nach wenigstens einer ersten Stufe angeordnet. Der mehrstufige Kompressor für die Luftversorgung der Brennstoffzellen kann mehrere in Reihe und/ oder parallel angeordnete Kompressorstufen aufweisen, welche außerhalb der Flugphasen beispielsweise nur teilweise zur Versorgung weiterer Einrichtungen des Flugzeugs mit Kühlluft eingesetzt werden. Beispielsweise können außerhalb der Flugphase einzelne Kompressorstufen abgeschaltet sein, da sie zum Komprimieren der geringeren angeforderten Luftmenge nicht erforderlich sind. Entsprechend ist die Verzweigung zum Abzweigen von komprimierter Luft für den Strömungsverstärker so angeordnet, dass die Versorgung des Strömungsverstärkers gewährleistet und in geeigneter Weise in die Regelung des Kompressors integrierbar ist.In one embodiment of the device, the compressor has a multi-stage design and the branching is arranged after at least a first stage. The multi-stage compressor for supplying air to the fuel cells can have a number of compressor stages arranged in series and/or in parallel, which are used outside of the flight phases, for example only partially to supply other devices of the aircraft with cooling air. For example, individual compressor stages can be switched off outside of the flight phase, since they are not required to compress the lower air volume required. Correspondingly, the branch for branching off compressed air for the flow booster is arranged in such a way that the supply of the flow booster is ensured and can be integrated in a suitable manner into the control of the compressor.
Zur Lösung der Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Kühlen eines Wärmetauschers einer Brennstoffzelle eines Flugantriebs außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs vorgeschlagen, wobei der Flugantrieb eine Luftlinie mit wenigstens einem Kompressor zum Zuführen komprimierter Luft für einen Betrieb der Brennstoffzelle aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- - Komprimieren von Luft mit wenigstens einem Kompressor des Flugantriebs;
- - Leiten der komprimierten Luft durch einen Strömungsverstärker auf eine Kühlfläche des Wärmetauschers;
- - Aufnehmen der Wärmeenergie von der Kühlfläche durch den Luftstrom; und
- - Abführen der Wärmeenergie mit den Luftstrom.
- - Compressing air with at least one compressor of the flight engine;
- - directing the compressed air through a flow amplifier onto a cooling surface of the heat exchanger;
- - absorption of thermal energy from the cooling surface by the air flow; and
- - Dissipation of the thermal energy with the air flow.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst Luft mit einem Kompressor des Flugantriebs komprimiert. Dies kann beispielsweise ein Kompressor sein, welcher zum Komprimieren der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlichen Luft dient, welche der Brennstoffzelle über eine Luftlinie zugeführt wird. Da die Brennstoffzellen außerhalb der Flugphasen üblicherweise nur mit verringerter Leistung betrieben werden, ist auch nur eine verringerte Luftzufuhr zu den Brennstoffzellen erforderlich. Damit steht freie Kompressorleistung zur Verfügung, welche zum Komprimieren von Luft zum Kühlen des Wärmetauschers der Brennstoffzellen verwendbar ist. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die komprimierte Luft zu einem insbesondere im Bereich des Wärmetauschers angeordneten Strömungsverstärker geführt, welcher die Luft auf wenigstens eine Kühlfläche des Wärmetauschers leitet.In the proposed method, air is first compressed with a compressor of the flight engine. This can be a compressor, for example, which is used to compress the air required for the operation of the fuel cell, which air is supplied to the fuel cell via an air line. Since the fuel cells are usually only operated with reduced power outside of the flight phases, only a reduced air supply to the fuel cells is required. Free compressor power is thus available, which can be used to compress air for cooling the heat exchanger of the fuel cells. In the proposed method, the compressed air is guided to a flow amplifier which is arranged in particular in the area of the heat exchanger and which directs the air onto at least one cooling surface of the heat exchanger.
Der Strömungsverstärker modelliert das Strömungsprofil des Luftstroms insbesondere hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung dabei so, dass möglichst viel Wärmeenergie von der Kühlfläche des Wärmetauschers aufnehm- und abführbar ist. Auf diese Weise kann ein effizienter Abtrag von Wärmeenergie vom Wärmetauscher erfolgen. Insbesondere weist die durch den Strömungsverstärker geführte komprimierte Luft nach dem Austreten aus dem Strömungsverstärker eine höhere Strömungsgeschwindigkeit auf, als vor dem Strömungsverstärker.The flow amplifier models the flow profile of the air flow, in particular with regard to the flow speed and direction, in such a way that as much thermal energy as possible can be absorbed and dissipated by the cooling surface of the heat exchanger. In this way, thermal energy can be removed efficiently from the heat exchanger. In particular, the compressed air guided through the flow booster has a higher flow speed after exiting the flow booster than before the flow booster.
Damit ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren ein aufwandsarmes Abtragen von Wärmeenergie von einem Wärmetauscher einer Brennstoffzelle eines Flugantriebs außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs unter wenigstens teilweiser Verwendung bereits vorhandener Einrichtungen des Flugantriebs. Das Verfahren kann insbesondere mit der vorausgehend beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden, welche die Merkmale einer oder mehrerer der hierzu beschriebenen Ausführungsformen aufweisen kann. Dabei kann das Verfahren entsprechend auch die hierzu beschriebenen Merkmale und Vorteile aufweisen.The proposed method thus enables thermal energy to be removed with little effort from a heat exchanger of a fuel cell of an aircraft engine outside of a flight phase of an aircraft, using at least some of the already existing aircraft engine devices. The method can be carried out in particular with the device described above, which can have the features of one or more of the embodiments described for this purpose. The method can accordingly also have the features and advantages described for this purpose.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Kühlen eines Wärmetauschers leitet der Strömungsverstärker neben der komprimierten Luft auch Umgebungsluft auf eine Kühlfläche des Wärmetauschers. Dabei saugt der Strömungsverstärker Umgebungsluft an, welche durch den diesen zugeleiteten Luftstrom beschleunigt wird. Der so zusätzlich verstärkte Luftstrom strömt dann zur Kühlfläche des Wärmetauschers, um von dessen Kühlfläche(n) Wärmeenergie aufzunehmen und abzuführen. Auf diese Weise kann die vom Wärmetauscher abtragbare Wärmemenge erhöht werden.In one embodiment of the method for cooling a heat exchanger, the flow amplifier also directs ambient air onto a cooling surface of the heat exchanger in addition to the compressed air. The flow amplifier sucks in ambient air, which is accelerated by the air flow fed to it. The air flow, which is additionally strengthened in this way, then flows to the cooling surface of the heat exchanger in order to absorb and dissipate thermal energy from its cooling surface(s). on in this way, the amount of heat that can be removed by the heat exchanger can be increased.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
-
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen eines Wärmetauschers einer Brennstoffzelle eines Flugantriebs außerhalb einer Flugphase eines Flugzeugs; -
2 eine schematische Schnittdarstellung eines beispielhaften Strömungsverstärkers; und -
3 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of an exemplary device according to the invention for cooling a heat exchanger of a fuel cell of an aircraft engine outside of a flight phase of an aircraft; -
2 a schematic sectional view of an exemplary flow amplifier; and -
3 a schematic representation of a flowchart of the method according to the invention.
Die Kühlung der Brennstoffzelle 16 erfolgt über einen Kühlkreislauf 30, welcher einen Kühlmittelspeicher 31, einen Filter 32, eine Kühlmittelpumpe 33 und einen luftgekühlten Wärmetauscher 12 zum Kühlen der Brennstoffzelle 16 aufweist. Das Kühlmittel wird dabei von der Kühlmittelpumpe 33 durch die Brennstoffzelle 16 gepumpt, wo es Wärmeenergie aufnimmt. Die Kühlflächen 36 des Wärmetauschers werden während einer Flugphase des Flugzeugs von einer Flugluftströmung überströmt, welche in der Brennstoffzelle 16 erzeugte Strömungsenergie abführt.The
Zum Abführen von überschüssiger Wärmeenergie der Brennstoffzelle 16 außerhalb der Flugphasen weist die Vorrichtung 10 zum Kühlen des Wärmetauschers 12 einen im Bereich des Wärmetauschers 12 angeordneten Strömungsverstärker 40 auf, der zum Leiten von Luft auf eine Kühlfläche 13 des Wärmetauschers 12 eingerichtet ist. Dem Strömungsverstärker 40 wird komprimierte Luft aus der Luftlinie 20 zugeführt, welche vorrangig zum Versorgen der Brennstoffzelle 16 während der Flugphase dient und außerhalb der Flugphase gewöhnlich nicht ausgelastet ist. Hierfür ist nach wenigstens einem Kompressor 21, 22 eine Verzweigung 28 in der Luftlinie 20 angeordnet, über welche beim Ausführungsbeispiel von den Kompressoren 21 und 22 komprimierte Luft zum Strömungsverstärker 40 leitbar ist. Vor dem Strömungsverstärker 40 ist bei der beispielhaften Ausführung ein Stromregelventil 29 angeordnet, mit welchem der dem Strömungsverstärker 40 zugeführte Luftstrom regelbar ist.In order to dissipate excess heat energy from the
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: In einem ersten Schritt a) wird Luft mit wenigstens einem Kompressor 21, 22, 23 des Flugantriebs komprimiert und in einem zweiten Schritt b) durch einen Strömungsverstärker 40 auf eine Kühlfläche 13 des Wärmetauschers 12 geleitet. Bei einer Ausführung des Verfahrens kann der Strömungsverstärker 40 in einem Schritt b1) neben der komprimierten Luft auch Umgebungsluft auf eine Kühlfläche 13 des Wärmetauschers 40 leiten. Im einem Schritt c) nimmt der Luftstrom die Wärmeenergie von der Kühlfläche 13 des Wärmetauschers 12 auf und führt diese in einem weiteren Schritt d) von der Kühlfläche des Wärmetauschers ab.The method according to the invention has the following steps: In a first step a), air is compressed with at least one
Bezugszeichenlistereference list
- 1010
- Vorrichtungcontraption
- 1212
- Wärmetauscherheat exchanger
- 1313
- Kühlflächecooling surface
- 1616
- Brennstoffzellefuel cell
- 1717
- Kathodecathode
- 2020
- Luftlinieas the crow flies
- 2121
- Kompressor(-stufe)Compressor (stage)
- 2222
- Kompressor(-stufe)Compressor (stage)
- 2323
- Kompressor(-stufe)Compressor (stage)
- 2424
- Turbine(-nstufe)turbine (stage)
- 2525
- Luftauslassair outlet
- 2626
- Luftfilterair filter
- 2828
- Verzweigungbranch
- 2929
- Stromregelventilflow control valve
- 3030
- Kühlkreislaufcooling circuit
- 3131
- Kühlmittelspeichercoolant storage
- 3232
- Filterfilter
- 3333
- Kühlmittelpumpecoolant pump
- 4040
- Strömungsverstärkerflow booster
- 4141
- Luftkanalair duct
- 4242
- Auslassöffnungexhaust port
- 4444
- Strömungflow
- 4545
- Umgebungsluftambient air
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